基于矢量控制的變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方案

　　單電阻采樣會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)，空間矢量脈寬調(diào)制器（SVPWM）在空間矢量的扇區(qū)邊界和低調(diào)制區(qū)域的時(shí)候，會(huì)存在占空比兩長一短和兩短一長以及三個(gè)幾乎一樣長的時(shí)刻。這樣的話，如果有效矢量持續(xù)的時(shí)間少于電流采樣時(shí)間，則會(huì)出錯(cuò)。本方案采取的辦法是在相鄰邊界的時(shí)候插入固定時(shí)間的有效矢量，而在低調(diào)制區(qū)域的時(shí)候，采用的是輪流插入有效矢量的方法。插入有效矢量會(huì)給電流波形帶來失真，這種情況下需要通過軟件來進(jìn)行補(bǔ)償。

　　單電阻采樣的優(yōu)點(diǎn)除了降低系統(tǒng)的成本，還有就是它檢測三相電流時(shí)都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺點(diǎn)也是明顯的，對(duì)于MCU來說，算法復(fù)雜了其運(yùn)算時(shí)間要增大，代碼比三電阻也要長一些；對(duì)于電流檢測而言，其波形失真比起三電阻方法來說，要稍微大一些。其詳細(xì)的對(duì)比如表2所示。單電阻采樣的性能對(duì)于變頻空調(diào)的應(yīng)用是完全可以勝任的，而且成本低廉，這也就是為什么大部分家電廠家都愿意選擇單電阻采樣的原因所在。

表2 三電阻與單電阻的對(duì)比

　　3.2 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度檢測

　　只需獲取三相電流和母線電壓，通過算法計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和速度，不需要增加額外的器件和電路。

　　無位置傳感器算法，包括反電動(dòng)勢檢測（Luenberger Observer） 和轉(zhuǎn)子位置/速度重構(gòu)（PLL: Phase Lock Loop ）兩部分，結(jié)構(gòu)如下圖4：

圖4 無位置傳感器位置/速度檢測結(jié)構(gòu)圖

　　3.3 MTPA效率最優(yōu)控制

　　MTPA（每安培電流最大轉(zhuǎn)矩）控制，也就是系統(tǒng)效率最優(yōu)控制，下面等式為永磁同步電機(jī)的力矩方程，永磁同步電機(jī)力矩：包括同步力矩和磁阻力矩。

　　永磁同步電機(jī)從電機(jī)結(jié)構(gòu)上來分，可分為磁鋼表貼式和內(nèi)置式兩種。表貼式永磁同步電機(jī)（SM-PMSM），直軸電感等于交軸電感（Ld = Lq）；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（I-PMSM），直軸電感小于交軸電感（Ld < Lq）。

　　● 表貼式永磁同步電機(jī)，Ld等于Lq，只有同步力矩，控制ids等于零時(shí)，系統(tǒng)效率最優(yōu)。

　　● 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，Ld一般小于Lq，存在同步力矩和磁阻力矩，當(dāng)ids小于零時(shí)，可以利用磁阻力矩使系統(tǒng)效率最優(yōu)。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)MTPA功能示意如圖5。

圖5 MTPA功能示意圖

　　4 針對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　針對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)，加入噪音消除、抗臺(tái)風(fēng)起動(dòng)及電機(jī)缺相檢測等功能模塊。

　　4.1 噪音消除功能

　　為提高空調(diào)舒適度，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的噪音指標(biāo)有嚴(yán)格的要求，也是評(píng)價(jià)一個(gè)空調(diào)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。對(duì)于功率不大且為主要噪音源之一的空調(diào)風(fēng)機(jī)，低噪音顯得尤為重要。

　　具有正弦型反電動(dòng)勢或氣隙磁場的永磁同步電機(jī)（正弦波永磁電機(jī)PMSM），采用FOC矢量控制，輸入正弦的定子相電壓和定子相電流可產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出力矩，具有低噪音的特點(diǎn)。但是，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，正弦波永磁電機(jī)反電動(dòng)勢很少能難達(dá)到理想的正弦型，有的干脆就是一個(gè)反電動(dòng)勢為梯形波的永磁同步電機(jī)（方波永磁電機(jī)BLDC），這種電機(jī)采用FOC矢量控制，會(huì)使定子電流畸變而產(chǎn)生電機(jī)噪音。

　　針對(duì)反電動(dòng)勢波形介于PMSM和BLDC之間這類永磁電機(jī)采用矢量控制，專門加入噪音消除功能模塊，通過加入N次諧波補(bǔ)償?shù)姆绞?，使定子電流更接近正弦，從而達(dá)到消除或降噪的目的。下面是定子相電流波形得到了很好的改善，噪音得以明顯的降低。

未加入噪音消除功能的電機(jī)相電流波形

加入噪音消除功能后的電機(jī)相電流波形

　　4.2 抗臺(tái)風(fēng)起動(dòng)能力

　　對(duì)于空調(diào)室外風(fēng)機(jī)，由于風(fēng)機(jī)在室外，必須保證在各種自然條件的影響下能正常工作，特別是強(qiáng)風(fēng)的影響下，風(fēng)機(jī)能夠正常起動(dòng)、運(yùn)行或報(bào)警。對(duì)于無位置傳感的永磁同步電機(jī)矢量控制，由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，正常運(yùn)行階段在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下也能夠正常工作。但是由于沒有位置傳感，需要有一個(gè)開環(huán)起動(dòng)過程，來建立起轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)，這個(gè)起動(dòng)過程力矩是比較小的，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響下，很難保證風(fēng)機(jī)能可靠的起動(dòng)。

　　為了抗臺(tái)風(fēng)，除了盡可能增大風(fēng)機(jī)起動(dòng)力矩外，本方案還增加了抗臺(tái)風(fēng)起動(dòng)功能模塊，保證風(fēng)機(jī)能夠成功起動(dòng)或給出強(qiáng)臺(tái)風(fēng)報(bào)警信號(hào)。風(fēng)機(jī)在停機(jī)時(shí)，強(qiáng)風(fēng)吹動(dòng)下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向跟風(fēng)力的大小及風(fēng)向有關(guān)，風(fēng)機(jī)能否成功起動(dòng)主要和起動(dòng)前風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相關(guān)。這樣，首先需要通過程序檢測出風(fēng)機(jī)起動(dòng)前的初始轉(zhuǎn)速和方向，然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行不同的起動(dòng)過程處理，可分為如下三種情況：

　　a 直接起動(dòng)

　　當(dāng)風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速大于一定值的情況下，直接進(jìn)入運(yùn)行模式。

　　b 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)報(bào)警，停止正常起動(dòng)

　　當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速太高，不能保證風(fēng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)，發(fā)出強(qiáng)臺(tái)風(fēng)報(bào)警，風(fēng)機(jī)停止正常起動(dòng)。

　　c 正常起動(dòng)

　　除a和b的其他情況，風(fēng)機(jī)能夠確保起動(dòng)成功，按正常的起動(dòng)程序起動(dòng)風(fēng)機(jī)。

　　經(jīng)過模擬強(qiáng)臺(tái)風(fēng)測試，系統(tǒng)能夠安全地起動(dòng)和運(yùn)行，同時(shí)在實(shí)際的室外環(huán)境測試中，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下起動(dòng)、運(yùn)行的性能也得到了驗(yàn)證。

　　4.3 電機(jī)缺相檢測

　　為了保證風(fēng)機(jī)正常起動(dòng)、運(yùn)行，每次電機(jī)起動(dòng)前都要進(jìn)行電機(jī)缺相檢測，通過相應(yīng)的功能函數(shù)檢測出風(fēng)機(jī)三相線是否連接正常和3相逆變橋是否完好，如果檢測到缺相，則停止風(fēng)機(jī)起動(dòng)并報(bào)缺相警報(bào)，確保風(fēng)機(jī)每次進(jìn)入起動(dòng)程序后都能夠成功，同時(shí)使系統(tǒng)具有相應(yīng)的錯(cuò)誤診斷能力。

　　5 結(jié)論

　　本文介紹的這種永磁同步電機(jī)的矢量控制方案，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，效率高、低成本、節(jié)能及噪音小，完全能夠滿足空調(diào)風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用要求。